ТЕРМІЧНА ОБРОБКА

Загальні положення. Види термічної обробки

Термічна обробка являє собою процес обробки заготовок або виробів з металів і сплавів шляхом теплового впливу з метою зміни їх структури і властивостей. Це найпоширеніший в машинобудуванні спосіб зміни властивостей металів і сплавів і найважливіша операція технологічного процесу виготовлення деталей машин (інструментів).

Термічна обробка виконується:

  • - Для забезпечення необхідних експлуатаційних властивостей виробів за рахунок зміцнення або отримання структур спеціального призначення;
  • - Для поліпшення технологічних властивостей (оброблюваності різанням, тиском та ін.) За рахунок разупрочнения; в цьому випадку вона є попередньою або проміжної операцією, що проводиться на заготовках;
  • - Для стабілізації властивостей металу, форми і розмірів деталей (інструментів).

Таким чином, мета термічної обробки - зміна властивостей матеріалу , а не розмірів і форми заготовки на відміну від інших технологій (лиття, зварювання, обробка тиском і різанням).

Термічна обробка (ТО) полягає в нагріванні до певних температур, в ізотермічної витримки і наступному охолодженні з певною швидкістю. Основними параметрами термічної обробки є температура і час. Вид термічної обробки, можливості її застосування визначаються типом фазових і структурних перетворень, що протікають в сплавах в твердому стані. На практиці застосовуються такі види термічної обробки: відпал, загартування, відпустка і нормалізація (рис. 5.1). Нормалізація - операція термічної обробки сталей, часто вважається різновидом відпалу (нормалізаційний отжиг), виділена в окремий вид, так як має багатоцільове призначення. Залежно від вмісту вуглецю в стали вона може використовуватися як попередня разупрочняется обробка (замість відпалу), так і остаточна упрочняющая або усуває дефекти структури обробка.

У цій главі технологія і принципи термічної обробки докладно розглядаються для сталей, оскільки технологічні операції термічної обробки, розроблені для сталей, відносяться також і до чавунів, тобто сплавів заліза і вуглецю, і кольоровим металам при аналогічних проходять в них перетвореннях.

Термічна обробка сталей базується:

  • - На полиморфном (а у) перетворенні;
  • - На різній розчинності вуглецю в аустеніт і ферит;
  • - На управлінні дифузійними процесами з метою отримання структур, що володіють різними властивостями.

Тепловий вплив може поєднуватися з хімічним або деформаційних. До таких процесів обробки

Класифікація основних видів термічної обробки

Мал. 5.1. Класифікація основних видів термічної обробки

відносяться відповідно хіміко-термічна обробка (ХТО) і термомеханічна обробка (ТМО).

Термічна обробка зазвичай застосовується самостійно, але в ряді випадків в поєднанні з хіміко-термічної або поєднується з нею.

Режим будь-термічної обробки можна представити у вигляді графіка в координатах t (температура, ° С) і τ (час).

Основи термічної обробки сталей

Критичні точки сталей

Більшість видів і різновидів термічної обробки пов'язано з фазовими перетвореннями, які відбуваються при нагріванні сталей вище критичних точок.

Критичні точки стали - температури, при яких відбуваються фазові перетворення. Ці температури досить важливі для призначення режимів термічної обробки - саме вони визначають температури нагріву.

Критичні точки позначаються літерою А, аналогічно позначенню критичних точок заліза. Поруч з буквою ставиться цифра, що відображає послідовність рівноважних (тобто при досить повільному нагріванні) перетворень, що протікають в стали при нагріванні. Оскільки температури фазового рівноваги відповідають лініям діаграми стану "залізо - цементит" (див. Рис. 4.4), то і позначення критичних точок пов'язані з лініями цієї діаграми.

Температуру евтектоїдного перетворення - перше перетворення при нагріванні - позначають А , (у всіх сталей вона лежить на лінії PSK), температуру магнітного перетворення в доевтектоїдних сталях (лінія МО) - Л2, температуру закінчення перетворення фериту в аустеніт в доевтектоїдних сталях (лінія GS ) - А 3, температуру закінчення розчинення цементиту вторинного в аустените в заевтектоідних сталях (лінія SE) - А т. Таким чином, лінії PSK, МО, GS і SE діаграми "залізо - цементит" є геометричним місцем критичних точок відповідно A 1, A 2, A 3 і А т (табл. 5.1).

На практиці внаслідок гістерезису температури перетворень при нагріванні завжди вище відповідних температур при охолодженні. Критичні точки при нагріванні

Таблиця 5.1

Критичні точки сталей

стали

При повільному нагріванні

При повільному охолодженні

Лінії діаграми (температура)

Залежність [1] від концентрації вуглецю в стали

критичні точки

перетворення

критичні точки

перетворення

Доевтектоїдних, евтектоїдні, заевтектоідние

Перліту в аустеніт

Евтектоїдних перетворення аустеніту в перліт

PSK (727 ° С)

Не залежить

доевтектоїдних

Втрата ферритом магнітних властивостей

Придбання ферритом магнітних властивостей [2]

МО (768 ° С)

Чи не залежить (до 0,5 ... 0,6% С)

доевтектоїдних

Закінчення перетворення фериту в аустеніт

Початок перетворення аустеніту в ферит

GS

Знижується зі збільшенням концентрації вуглецю

заевтектоідние

Закінчення розчинення цементиту вторинного в аустените

Початок виділення цементиту вторинного з аустеніту

SE

Підвищується зі збільшенням концентрації вуглецю

позначаються додатково індексом з (Ac), а при охолоджений ні - r (Ar).

Так як термічна обробка ґрунтується на перетвореннях, що відбуваються в твердому стані, то ми розглядаємо тільки критичні точки (температури), що відображають ці перетворення. Знання критичних точок сталей необхідно для обгрунтованого вибору температурних режимів термічної обробки.

5.3. Перетворення в сталях при нагріванні

Згідно діаграмі "залізо - цементит" (рис. 4.4. І рис. 5.2) основним перетворенням, що протікає у всіх сталях при нагріванні трохи вище A 1 (727 ° С), тобто до Ac 1 є перетворення перліту (ферритно-цементитной суміші) в аустеніт:

Мал. 5.2. Сталевий кут діаграми "залізо - цементит"

При нагріванні вільна енергія G аустеніту стає менше, ніж у перліту (рис. 5.3). Перлітноаустенітное перетворення відбувається при температурі трохи вище A 1 відповідно з деяким ступенем перенагрівання Δ t 1, наприклад при температурі t 1 > А 1, (див. Рис. 5.2).

Перетворення включає в себе два одночасно протікають процесу:

  • - Поліморфний перетворення об'ємно-центрованої кубічної решітки фериту в гранецентрированную кубічну решітку аустеніту (бездіффузіонному перетворення);
  • - Розчинення в нинішньому аустените цементиту (дифузійне перетворення).

Перетворення підпорядковується загальним закономірностям кристалізації, що включає освіту зародків (центрів кристалізації) аустеніту і подальший їх зростання. Зародки аустеніту виникають в результаті α → γ перетворення на кордоні розділу кристалів фериту і цементиту (рис. 5.4). Витрата енергії на утворення центрів нової фази (аустеніту) на вже наявній кордоні менше, ніж в обсязі пластин вихідних фаз (тобто в даному випадку в фериті). Так як загальна протяжність кордонів між пластинами фериту і цементиту велика, то перетворення починається з утворення великої кількості зародків.

Хімічний склад вихідних фаз (фериту і цементиту) сильно відрізняється від складу аустеніту. Тому перетворення супроводжується значним переміщенням атомів вуглецю (дифузійне перетворення). Оскільки полиморфное перетворення (бездіффузіонному) протікає значно швидше, ніж розчинення цементиту, то після перетворення фериту в аустеніт в структурі стали зберігається ще кілька цементиту. Для його розчинення в аустените потрібно дати витримку або підвищити температуру щодо точки Ac 1 (дифузійні процеси проходять тим повніше, чим вище температура і три-

Зміна вільної енергії аустеніту і перліту в залежності від температури

Мал. 5.3. Зміна вільної енергії аустеніту і перліту в залежності від температури

тельнее витримка). Витримка після остаточного розчинення цементиту в аустеніт дозволяє в результаті повного завершення дифузійних процесів (гомогенізації) отримати однорідний за складом аустенит.

Швидкість перетворення перліту в аустеніт залежить від швидкості нагрівання і дисперсності вихідної ферритно-цементитом структури. Більш висока швидкість нагріву, що забезпечує більший перегрів щодо точки АС1, а також більш дисперсна (дрібнозернистий) структура збільшують швидкість утворення зародків, призводять до прискорення дифузійних процесів і тим самим до більш швидкого перетворення перліту в аустеніт.

Для евтектоїдной стали (0,8% С) перетворення перліту в аустеніт є єдиним перетворенням, що відбувається в твердому стані при нагріванні.

При нагріванні доевтектоїдних сталей вище Ас, після перетворення перліту в аустеніт утворюється двофазна структура - аустеніт і ферит. При подальшому нагріванні в інтервалі АС1 ... Ас3 зберігся ферит внаслідок поліморфного ( α → γ) перетворення поступово трансформується в аустеніт. Перекрісталлізаціонние процеси сповільнюють ріст зерен аустеніту, що утворився раніше з перліту. При нагріванні в інтервалі АС1 ... Ас3 одночасно з поліморфним перетворенням протікають і дифузійні процеси, пов'язані з перерозподілом вуглецю між раніше і знову утворилися порціями аустеніту внаслідок зменшення концентрації вуглецю в аустеніт відповідно до лінії GS (див. Рис. 5.2). Аустенітизації повністю завершується при температурі Ас 3, а концентрація вуглецю в аустеніт відповідає змісту його в стали.

У заевтектоідних сталях після завершення перетворення перліту в аустеніт утворюється двофазна структура, що складається з аустеніту і цементиту вторинного. Цементит вторинний, який не брав участі в перлітною-аустенітному перетворенні, при нагріванні в інтервалі температур Ac 1 ..Ac m розчиняється в аустеніт, викликаючи підвищення концентрації

Схема перетворення перліту в аустеніт при нагріванні сталей

Мал. 5.4. Схема перетворення перліту в аустеніт при нагріванні сталей

вуглецю в ньому по лінії SE (див. рис. 5.2). До свого розчинення частинки цементиту, що розташовувалися по межах зерен аустеніту, стримують їх зростання. У міру розчинення цементиту вторинного зерна аустеніту починають рости. Вище температури Ас m буде тільки аустеніт, що містить стільки вуглецю, скільки його є в стали.

Подальший нагрів всіх сталей в аустенітної області (вище лінії GSH, тобто після повної аустенітизації) викликає значне зростання зерен аустеніту, що призводить до погіршення механічних властивостей сталей; знижуються межа міцності (σρ), межа плинності (σ02), пластичність (δ, ψ) і особливо сильно ударна в'язкість ( KCU ). Оскільки більшість видів термічної обробки сталей (заготовок або виробів з них) пов'язане з необхідністю попереднього забезпечення повної або часткової аустенітизації, то температури нагріву вище критичних точок Ac 1 , Ас 3 або Ас т з метою збереження дрібного зерна строго обмежують перегрівом вище цих температур на 30 ... 50 ° С.

  • [1] Домішки і легуючі компоненти змінюють критичні точки.
  • [2] Температура магнітного перетворення не має гістерезису.
 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >